發布日期：2022-04-17 點擊率：88
【導讀】本文在分析整車EMC設計現狀的基礎上，以大量部件和整車的設計、測試經驗為支撐，借鑒學習國外一些車型的先進設計思路，從EMC工程設計角度，提出了一種電動汽車系統級EMC開發方法。該方法成功應用于各研發車型，改變了以往樣車難以順利通過EMC法規的局面，同時保證了系統內EMC。
引言
電動汽車車載電器部件要滿足相應 EMC 技術要求，就應考慮其內部元器件和導線的合理布排，并做相應的測試及優化工作。由于整車電氣系統為各電器部件及連接線纜的集成體，設備之間的相互影響加劇了電磁環境的復雜性，部件級EMC測試和整車EMC測試關聯解析難度大。同時各車型在功能、市場定位、系統架構與布局、零部件電磁特性、集成度等方面可能存在較大差異，很難給出一個或一組統一的定量化指標去適合于所有電動汽車。
在EMC設計、管理等方面，國內電動汽車廠普遍存在以下幾方面問題：
① EMC工作主要由EMC工程師開展，缺乏系統內協作；
② EMC工作主要圍繞電器部件及整車的EMC 測試展開，EMC設計不足；
③電器部件EMC設計和整車EMC設計脫節，EMC問題幾乎 全部由車載電器部件承擔責任；
④ 企業歷史短，缺乏專業的EMC設計經驗，缺乏規范的 EMC研發、管理流程。
本文參考系統級電磁兼容設計思想，并借鑒國外電動汽車的優秀EMC設計方法，提出一種電動汽車系統級EMC開發方法，該方法建立的系統開發流程貫穿實施于車輛開發各流程中，整車一次性通過EMC法規測試，并做到了系統內的良好兼容性。
1、電動汽車系統級 EMC 設計思想
系統電磁兼容問題在分析方法、設計方法、試驗方法方面，均為系統工程問題。
電動汽車系統級EMC設計思想：綜合考慮電器部件性能及功能完整性、可靠性、技術成本、車身輕量化、產品上市周期等各種因素，確定布局和技術控制狀態，選取材料、結構和工藝，在車輛研發的各階段，以最低的成本、最有效的方式將接地、屏蔽及濾波等設計思想及具體措施實施到產品或系統中，在測試階段做出詳細的EMC測試評價、優化及管理，最終形成一套可行性高的正向開發設計方法或流程。
在產品質量前期策劃（advanced product quality planning，簡稱 APQP）過程中，新產品 研發過程一般由5個階段組成：計劃定義和項目、產品設計和開發驗證、過程設計和開發驗證、產品和過程確認，以及反饋、評估和糾正措施，APQP 進度圖如圖 1 所示。
圖 1 APQP 進度圖
借鑒APQP流程，電動汽車系統級EMC開發流程 可包括：EMC規劃階段、EMC系統架構布局階段、EMC設計階段、EMC系統測試及狀態凍結階段以及EMC評估、評審和優化階段。
上述各階段需要車型設計總師、項目經理、EMC專家、EMC工程師、電氣工程師、線束工程師、總布置工程師、結構工程師、測試工程師以及各電器部件供應商等協作參與，共同完成。
2、電動汽車系統級EMC設計開發流程
2.1 EMC 規劃階段
本階段工作內容是在分析整車技術規范（Vehicle Technical Specification，簡稱VTS）初稿的基礎上，對表1中列舉的內容進行研究，重點掌握現有電器部件EMC特性，并編寫整車EMC設計指導書等報告，為EMC系統架構布局提供重要依據。
表1 EMC 規劃階段主要工作內容
2.2 EMC 系統架構布局階段
本階段是整車系統級EMC 開發流程中最為關鍵的一步，其核心工作內容可歸結為“先由面建點，再由點連線”。
“面”即為由車身、車身支架、12 V 蓄電池負極等建立的參考地。
“點”為車載電器部件，以規劃階段編寫的《高壓部件布局布置指導性設計報告》、《CAN 網絡線束布局布置指導性設計規范》等報告為指導，綜合考慮車身數模及電器零部件初版數模，對車載關鍵電器部件進行布局。優先進行動力蓄電池布置；根據驅動方式、冷卻系統、可安裝位置、質心坐標等確定電機本體大致布置；結合功能性要求、碰撞安全性法規要求、IP 防護、安裝便利性、美觀等，確定其它電器部件布局。“點”還包括抽象的接地點，隨著電器部件布局位置確認而確定。接地點的選取應以就近接地、系統接地網絡的合理、可維護為原則。
“線”即為前面建立的各“點”之間的互連線纜，是整車電氣系統的重要組成部分。線纜布置的基本原則：盡量短、避免交叉、走向美觀、安裝固定方便。以i-MiEV 車底盤下線纜布局（見圖2）為例，其線纜短、線纜無交叉的特點顯而易見。
圖2 i-MiEV 車底盤下線纜布局（網絡資料）
優先考慮系統布局這一策略是成本最劃算的一種EMC設計方法，對系統進行布局劃分，使對干擾電流的控制成為可能。
整車EMC架構布局需要綜合考慮各種技術要求，并將EMC技術融入到產品架構設計中去。圖3為某型號電動汽車布局差異對比圖，與圖3（a）相比，圖3（b）所示布局方案更合理，線纜走向更規范，整車碰撞安全性也更高。兩種布置方案下電器部件殼體設計、連接器選型等均存在較大差異，說明若布局階段“點”規劃不合理，會導致整車電氣系統架構布局的變更，其對整車設計成本、上市周期等均帶來較大變化。整車設計初期，不建議所有電器部件都做出開模計劃，同時從整車設計角度，“點”也應該符合“面”的規劃，即使一些電器部件前期已開模且適用于一些車型，也應該根據本車型布置要求，在評審后重新制定開模計劃。
（a）布局凌亂
（b）布局整齊
圖3 某型號電動汽車布局差異對比（網絡資料）
圖4為某車型不合理的電機系統（電機和電機控制器）布局圖，該布局導致U、V、W 線纜過長，根據設計經驗，該方案存在輻射發射超標風險，EMC評審不通過，該布局方案未獲批準。
圖4 某車型前期不合理的電機系統布局圖
布局合理最基礎，其經濟性也最高。車內電子通信設備的日益增多使互連系統的排布密度大幅度增加， 加上車載系統狹小的內部空間，因而對前期系統架構布 局提出了更高的要求。表2列舉了本階段主要輸出報告。
表 2 EMC 系統架構布局階段主要輸出報告
2.3 EMC 設計階段
EMC設計雖然不是什么新鮮技術，但其需要大量專業設計、制造工藝以及管理等知識的支撐，并要參考一切可以指導團隊和員工決策或行動的信息、標準、規范、法則及經驗，最終形成用于指導生產的設計知識體系，研發過程中知識流動和轉換框圖如圖 5 所示。
圖5 新產品研發中知識的流動和轉換框圖
EMC設計階段主要圍繞EMC三個措施（即接地、屏蔽和濾波）展開，本階段主要的設計輸出報告如表3所示。
表 3 EMC 設計階段主要輸出報告
接地設計主要包括接地線的工藝、接地螺栓和螺母選型、接地點防腐蝕處理工藝設計等。圖 6為某型號電動汽車接地設計細節，可作為參考。
（a）接地線和接地螺栓
（b）接地線和接地螺母
圖6 某型號電動汽車接地設計（網絡資料）
屏蔽設計的關鍵之一在于高低壓電器部件殼體設計，如何將工業設計等技術和殼體屏蔽設計技術巧妙結合在一起，體現 EMC 設計技術和藝術的完美結合，是本部分的難點。由于殼體開模成本較高，建議全新開模在評審通過后確定。
應當指出，在選用屏蔽線纜時，不僅要考慮其屏蔽性能，還要考慮成本、機械強度等特性。當整個電纜受到過多的機械、天氣和潮濕的影響時，影響最嚴重的屏蔽部分就是連接處，通常使用5年之后性能將下降一個數量級（20 dB）。
對于多電纜入口的機箱殼體，為保證屏蔽連接的連續性，電纜屏蔽連接方法可參考圖 7。
（a）線纜屏蔽層和殼體端接
（b）線纜端連接夾具
圖 7 多電纜屏蔽層和殼體電連接（網絡資料）
（a）電機本體 （b）電機及集成控制器
圖8 某型號電動汽車電機系統設計（網絡資料）
若考慮成本，部件屏蔽設計難以做到完美，可考慮系統級解決措施。圖8為某型號電動汽車電機系統設計，為降低 U、V、W 線纜可能帶來的輻射發射問題，其在電機端增加一金屬屏蔽盒，在提高EMC 設計的同時提高了IP防護等級。
2.4 EMC 系統測試及狀態凍結階段
系統電磁兼容試驗技術包括：試驗規范制定、標準制定、項目選擇、實施方法、場地建設、誤差處理等技術和過程。為保證EMC測試的一致性，系統測試必須在標準的試驗環境下進行。根據自身條件建立相應測試環境或選擇測試機構，都是不錯的選擇，為節省測試費用而犧牲零部件或整車EMC性能的做法必將付出沉重的代價。
若脫離整車測試驗證環節，零部件EMC設計很可能出現設計不足或過設計問題。EMC 系統測試是系統級EMC設計流程中重要的環節，既用于驗證整車 EMC 設計的合理性，又為設計方案優化、評審及凍結提供依據。在驗證各電器部件EMC設計符合性的前提下，驗證零部件EMC測試數據和整車測試數據的關聯性，根據整車測試中暴露出來的問題，首先對整車系統內接地措施進行嘗試性優化整改，在整改效果難以滿足整車測試需求的前提下，對零部件EMC指標進行有針對性的更改，根據整改便利性、成本、可靠性、開發周期等因素確認零部件更改比重，并保證足夠的裕量，從而降低因不確定性等因素帶來的誤差，保證整車測試的一致性。
狀態凍結階段，需要隨機抽樣同一批次各電器部件多臺進行測試，在測試數據一致性評審通過后，凍結零部件EMC設計。同樣，只有整車測試具有足夠的一致性和裕量，整車EMC 設計數據才能凍結。
本階段主要輸出報告有：《電器部件 EMC 測試分 析報告》、《整車測試分析報告》、《系統設計優化分 析報告》、《XX 零部件EMC優化設計分析報告》、《接地線（含接地螺栓、螺母）鹽霧等試驗分析報告）》、《接地線阻抗測試報告》、《接地點防腐處理工藝設計評審 報告》、《接地點可維護性評審報告》、《電器部件殼體數模凍結報告》、《電器部件EMC設計方案凍結報告》、《XX車型EMC設計方案凍結報告》等。
2.5 EMC 評估、評審和優化階段
本階段貫穿于系統級EMC設計的整個流程中，每個階段的評估、評審和優化，必須保證零部件設計和整車設計具有一定的同步性。評估、評審時既要考慮功能完整性、技術先進性、可靠性、安全性等設計因素，還需要 EMC 專家的技術指導，同時又要綜合考慮設計美 觀度、可維護性、可工程化、成本等其它因素。
簡單合理的設計是最好的設計，這無疑在節約成本，提高產品良品率，加快上市時間的同時，讓電動汽車EMC設計的風險降至最低，所以評估、評審階段還應堅持簡單的原則。
電動汽車功率部件越來越呈現出小型化、集成化的技術趨勢，功率部件的EMC設計仍將是整車EMC設計的重要內容之一。為提高續航里程而增大電池結構，從而使整車電器系統布局更緊湊，部件間EMI問題更突出。智能化、高頻化等電子電器的安裝加劇了整車通過GB 14023測試的難度，所以，評估、評審階段還應堅持與時俱進的原則。
3、結語
本文從工程應用設計的角度，對整車系統級EMC設計流程做了詳細描述，而對設計細節以及 EMC指標的量化未做具體描述，但整個設計流程還是非常清晰的。采用系統方法，按照特定的邏輯來組織研發過程中模糊的、相互糾纏在一起的各種研發活動，最大程度地減少研發活動的反復和耦合，使復雜、模糊、混亂的EMC研發活動流程化，從而提高了EMC設計工作的效率和質量，縮短了開發周期，減少了研發成本及產品生命周期的總成本。
在設計和選用電源濾波器的過程中，系統工程師發現，加了濾波器以后作用不大，甚至會發生某些頻段的噪聲變大。
OBC 內部均設計了濾波單元，但由于濾波單元設計不專業（包括濾波器輸出阻抗和 OBC 輸入阻抗相互匹配、濾波器拓撲結構設計不合理等）或受布局空間所限安裝位置不合理等原因，濾波器實際抑制干擾能力較差，傳導發射超標現象較明顯。
4、總結
本文所述示例說明了接地、屏蔽以及濾波措施正確合理設計的重要性。目前電動汽車電子電器零部件越來越多，整車電氣系統（包括各電器部件、互連線纜以及車身架構等）建立的電磁環境也越來越復雜，如何根據各電器部件自身EMC特性以及所處的電磁環境等因素，將EMC措施合理體現在整車設計中應是研究的重點和關鍵。
推薦閱讀：
RFID技術原理、特點及應用詳解
詳解空氣凈化器中空氣質量傳感器的作用
噱頭還是黑科技？2016十大電池前瞻技術盤點
分子識別技術落地消費類手機
為5V 1-Wire?從器件提供過壓保護
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： LED驅動電源的分類、
